基于VR虛擬仿真技術的變電運行課程教學設計

程序　張興然

【摘 要】變電站運行工作需要較強的實踐能力，然而目前的變電站運行實訓教學受資金，場地的限制，還不能真正地滿足學生的需求，因此本文通過分析變電站運行課程建設和教學現狀，得出使用傳統教學模式實施變電站運行課程的主要難題，以“變電站巡視”項目為例探討變電站運行教學模式的設計及應用，提出了基于VR技術和虛擬仿真的實訓教學設計。

【關鍵詞】VR技術；虛擬仿真；變電站巡視；教學設計

中圖分類號： G712；U41-4；U44-4 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）31-0181-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.31.087

0 引言

《變配電運行》課程是發電廠及電力系統專業、供用電技術專業的必修核心課程。主要培養學生具有本專業所包含的中（或高）級變電站值班員所必需的專業知識和專業技能，培養學生的團隊協作、溝通表達、工作責任心、職業規范和職業道德等綜合素質和能力，為從事供電企業、工礦企業供用電相關技術工作做準備。通過本課程的學習使學生掌握變電站一次系統主接線及二次接線，掌握變電站開關、線路、主變、母線和旁路代路的運行監控和倒閘操作，掌握變電站線路、主變、母線事故分析處理，掌握變電站線路、主變、母線事故分析處理，掌握變電站小接地系統的運行監控和故障運行處理，掌握變電站設備巡視制度、項目以及異常情況處理等知識和技能。本文以變電站巡視項目教學為例，說明了目前變電運行教學中存在問題，VR技術和變電站虛擬仿真技術的基本情況以及基于VR技術和變電站虛擬仿真技術的實訓教學設計。

變電站巡視檢查工作是運行人員日常工作中的一項重要內容，設備巡視的質量直接影響著變電站的安全運行；有人值班的變電站對全站一、二次設備每天要進行3次檢查。設備巡視的工具和方法是影響巡檢工作效率的一個主要因素，在一個側面上反映現場的生產管理水平。為了監視設備的運行情況，及時發現和消除設備缺陷，預防事故發生，確保設備安全運行，每個運行人員必須嚴格按照規程要求，認真負責，一絲不茍地做好設備檢查工作。

1 變電運行教學中存在的問題

1.1 帶電變電站實訓場地難以在校園實現

變電站的功能是變換電壓，將電壓由低壓變為高壓或者由高壓變為低壓，是電力系統“發變輸配用”五大環節中的一部分。而電壓等級的選擇是根據電能輸送距離、用電量等因素，學校、企業等單位的輸入電壓通常是10kV或35kV，所以對于高電壓等級的變電站想在學校中實現首先就是沒有相應的電壓等級。其次，一個變電站的占地面積多則幾萬平方米，投資甚至需要上億。這樣的成本與代價，對于學校只是作為教學用途來說顯然也是不可能實現的。如果與企業合作，去真實變電站進行實訓，只能進行參觀學習，無法操作否則將會影響供電。

1.2 高壓危險難以實物操作

變電站中必然有高壓側，高壓側最低也有10kV，對于大型變電站更是高達500kV、1000kV，而人體能夠承受的安全電壓是36V。特別是對于1kV以上的電壓等級稱為高壓，人體不僅不能接觸而且不能靠近。對于作為初學者的高校學生在這種環境中學習顯然太危險了，同時面對一個班的學生往往有幾十人作為老師想要保障所有學生的安全恐怕困難重重，相比企業中常是師傅只帶一個或幾個徒弟，為實物操作帶來了可能但是效率不高。

2 VR技術和變電站虛擬仿真技術

2.1 VR技術和變電站虛擬仿真技術介紹

變電站虛擬仿真系統采用先進的仿真支撐技術、仿真建模技術，建立變電站一次系統、二次測控系統、保護系統、自動裝置系統的全物理、全過程的精確數學模型，逼真的模擬變電站各種運行工況和各種故障現象。VR是英文單詞Virtual Reality的縮寫，意思是虛擬現實技術。它是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統，它利用計算機生成一種模擬環境，是一種多源信息融合的、交互式的三維動態視景和實體行為的系統仿真使用戶沉浸到該環境中。使用 VR 可以為各級學校的學生提供身臨其境的多感官的體驗，比起傳統的講課、字卡圖卡、或教科書等方法更有效。學生們可以在VR眼鏡中近距離觀察變電站每種設備的外觀、銘牌，接線方式以及內部結構。還可以與實物結合，操作手柄實物，在眼鏡中模擬效果現象，例如，進行拉合隔離開關操作，無需制造整個隔離開關，只需制造把手和開關通過傳感裝置和仿真，使人即可以體驗到如何真實的控制操作又可以看到虛擬的逼真隔離開關開合過程。

2.2 VR技術和變電站虛擬仿真技術應用于變電站巡視實訓的優勢

傳統的面授課堂中，難免會存在時空情景、邏輯思維上的局限，學生對教學難點吸收困難，教學效率低。VR的優點在于提供空間場中的交互，營造沉浸式的感官，能將相對抽象復雜的內容可視化、形象化。VR訓練場和實驗臺就是在虛擬世界中構建出實驗場所來供學習者進行活動與操作。由于操作對象從實際存在的物體變成了虛擬世界中的模型，允許操作方式會隨著教學設計者的設計精細程度而增加或者減少（一般是減少），設計者可以給出較為精簡的操作流程提示告知學習者應當怎樣控制和處理“眼前”的對象。同時，即使學習者由于失誤導致實驗失敗，也不會造成實際的財產損毀甚至生命危險，是一種相對安全的訓練方法。

3 基于VR技術和變電站虛擬仿真技術的實訓教學設計

3.1 課前準備巡視卡

課前由教師發放變電站資料，包括主變壓器、斷路器、隔離開關、互感器、避雷器、母線、電力電纜、電容器、電抗器、耦合電容器、室內設備等變電站所有設備的基本信息。學生根據這些信息提前設計編寫巡視卡。巡視卡的內容就是列出所有要巡視的設備以及設備上要巡視的部位和項目，并留出記錄參數和設備狀態的空格。

3.2 組班組分任務定計劃

電力系統的各類實際操作工作都要求有工作負責人，監護人，操作人，記錄人等角色組成的工作班組，經過人員分配、任務分配、班前會班后會等一系列環節后，由完善的組織措施保障才可以實施。所以教師可以將總的巡視設備配給各學生組成的小組，每組再進行分工。巡視時，運行人員應兩人進行。并對照設備巡視標準逐項檢查，每檢查完一項，隨即在“巡視檢查卡”對應檢查結果欄內打“√”、“×”或填入相應數據。打“×”的設備，其異常、缺陷內容應及時記錄，認真分析，正確處理，并匯報有關部門。

3.3 “真實”巡視做記錄

在工作過程的實施階段時，首先教師要像實際工作一樣進行巡視危險點分析和安全措施介紹。教師與學生進行角色扮演，模擬實際電廠生產過程中運行人員值班過程，使學生仿佛置身于真實的生產場景，而且使學生對變電站值班人員的分工與職責更加明確。小組工作任務完成之后，由小組長選出代表向教師和全班同學演示匯報本組的成果，并說明為什么這么做。由教師和其他小組的學生來進行評判、糾錯。培養學生的觀察能力、表達能力、總結能力等。巡視高壓設備必須按照巡視路線進行巡視，并不得移開或越過遮欄從事其它工作。運行人員根據巡視類別及微機系統的巡檢提示，進行正常巡視檢查。遇有特殊情況時，要進行特殊巡視。運行人員巡視后，應及時記錄檢查情況和巡視時間。

3.4 游戲模式評價體系

利用軟件的編寫可以實現將學習任務嵌入到游戲模式中，每一游戲關卡為一個學習單元，完成即為通過，沒有完成則被淘汰，特別是變電站工作危險，一旦工作錯誤常常面臨著設備損壞。給學生呈現電力生產企業所發生的典型事故案例，展示事故后果，讓學生分析事故原因，學習現場處理事故的流程。案例真實可靠，具有代表性，且結合生產現場，給學生的頭腦形成比較大的沖擊力，使學生充分認識到發電廠電氣值班員崗位職責的重要性。對于學生完成的任務，設置榮譽殿堂、榮譽徽章等獎勵符號，也就是將以前的評分具體化形象化，激發學生興趣，吸引學生眼球。

4 總結

目前在課程教學中虛擬仿真技術得到了大量的應用，特別是像變電運行這種實物難以實現、危險度高、內容不易想象理解的課程，虛擬仿真技術即節省資金，又生動形象，大大幫助了學生理解，幫助了教師實施教學。當增加了VR技術以及豐富了仿真內容后，使得教學效果更加擴展，如何將技術充分利用，讓教學設計更加合理有效，更加適應實際應用的發展是教師們不同于傳統教學需要更多去思考的內容。

【參考文獻】

[1]戴士弘.職業院校整體教改[M].北京：清華大學出版社， 2012.1-16.